Faseroptische Sensoren erkennen Erschütterungen eines isländischen subglazialen Vulkans

Die Forscher verwendeten ein Glasfaserkabel auf der Eiskappe eines isländischen subglazialen Vulkans, um niederfrequente vulkanische Erschütterungen zu erkennen, was darauf hindeutet, dass diese Technologie bei der Überwachung anderer eisbedeckter Vulkansysteme nützlich sein könnte.

Ihre Forschung veröffentlicht in Die seismische Aufzeichnung weist darauf hin, dass die schwimmende Eiskappe, Teil des Vatnajökull-Gletschers, als natürlicher Verstärker der vom Grímsvötn-Vulkan, einem der gefährlichsten Islands, erzeugten Zittersignale fungierte.

Dies scheint die erste Beobachtung einer schwimmenden Eisdecke zu sein, die als Verstärker des Zitterns fungiert, sagte Andreas Fichtner, Professor für Seismologie und Wellenphysik an der ETH Zürich. „Schwingungen von Schelfeis in der Antarktis oder Grönland sind schon lange bekannt“, erklärt er, „aber meistens werden sie von Meereswellen angeregt.“

Obwohl die genauen Mechanismen hinter dem vulkanischen Zittern unterschiedlich sein können, kann es ein Indikator für tiefe vulkanische oder geothermische Aktivität sein, sagte Fichter. „Erschütterungen können nicht nur Informationen über die zugrunde liegenden Prozesse liefern, sondern auch als Vorläufer von Vulkanausbrüchen dienen, die genau beobachtet werden sollten.“

Grímsvötn ist einer der größten und aktivsten Vulkane Islands, mit großen Eruptionen, die durchschnittlich alle zehn Jahre stattfinden. Erdwärme schmilzt die Eiskappe und erzeugt einen subglazialen See auf dem Vulkan, der gelegentlich ausbricht und die Küstenebenen überschwemmt. Seine explosiven Eruptionen erzeugen hoch aufragende Aschewolken, die die Landwirtschaft, die menschliche Gesundheit und die Luftfahrt beeinträchtigen. Asche des letzten großen Ausbruchs im Mai 2011 schloss Islands Hauptflughafen und führte zur Annullierung von 900 Flügen.

Die Forscher würden gerne mehr über die seismische Umgebung von Grímsvötn erfahren, aber die Installation eines traditionellen seismischen Netzwerks ist teuer und schwierig unter den abgelegenen und rauen Bedingungen des subglazialen Vulkans. Stattdessen wandten sich Fichtner und Kollegen der Distributed Acoustic Sensing zu.

Distributed Acoustic Sensing oder DAS nutzt die winzigen internen Fehler in einer langen optischen Faser als Tausende von seismischen Sensoren. Ein als Interrogator bezeichnetes Instrument an einem Ende der Faser sendet Laserimpulse durch das Kabel, die von den Faserfehlern reflektiert und zum Instrument zurückgeworfen werden. Wenn die Faser durch seismische Aktivität gestört wird, können Forscher Änderungen im Timing der reflektierten Impulse untersuchen, um mehr über die resultierenden seismischen Wellen zu erfahren.

Die Forscher verlegten im Mai 2021 ein 12,5 Kilometer langes Glasfaserkabel auf Grímsvötn und sammelten drei Wochen lang Daten vom DAS-System.

„Wir wollten wissen, ob ein großes DAS-Experiment in einer so herausfordernden und abgelegenen Umgebung überhaupt machbar wäre und ob es uns etwas Neues beibringen könnte“, sagte Fichtner. „Jetzt, nachdem wir die Daten im Detail analysiert haben, wissen wir, dass die Entdeckungen, die wir gemacht haben, mit herkömmlichen Stationen nicht möglich gewesen wären. Dazu gehören nicht nur die zitterbedingten Oszillationen der Eisschilde, sondern auch die fast 3000 lokalen Erdbeben, die wir innerhalb der drei entdeckt haben Wochen des Experiments.“

Nach der Analyse der dicht gesampelten DAS-Daten stellten die Forscher fest, dass die schwimmende Eisdecke als natürlicher Resonator seismischer Signale fungierte, was es ihnen ermöglichte, das vulkanische Zittern zu erkennen, das sonst möglicherweise von anderen Umgebungs- oder Instrumenten-„Rauschen“ in einem traditionellen überwältigt worden wäre seismisches Netzwerk.

Das Forschungsteam hatte Glück mit ungewöhnlich schönem Wetter – zusammen mit Forschungshütten, die mit einer geothermisch beheizten Sauna auf dem höchsten Punkt der Grimsvötn-Caldera ausgestattet waren – während des Glasfaserausbaus. Auch ein Grabenschlitten, der von Forschern des isländischen Meteorologischen Amtes entwickelt wurde und gleichzeitig das Kabel pflügte und verlegte, half.

„Die eigentliche Herausforderung war das Spleißen im Feld“, erinnert sich Fichtner. „Da wir drei Kabeltrommeln mit jeweils vier Kilometern Kabel hatten, mussten wir die Fasern verbinden, das nennt man Spleißen. Eine Glasfaser ist dünner als ein menschliches Haar und daher auf einem Gletscher schwierig zu handhaben. “